劉順濤，陳雪梅，郭喜鋒，韓志仁，周叔陽

（1.成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610073；2.航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；3.沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航工程學(xué)部，沈陽 110136）

飛機(jī)蒙皮自動制孔工藝設(shè)計研究

劉順濤1，陳雪梅1，郭喜鋒1，韓志仁2,3，周叔陽3

（1.成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610073；2.航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；3.沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航工程學(xué)部，沈陽 110136）

基于MBD的飛機(jī)蒙皮自動制孔工藝設(shè)計是飛機(jī)數(shù)字化制造工藝關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)飛機(jī)裝配過程中自動制孔工藝設(shè)計的特點(diǎn)和要求，將制孔信息分為基準(zhǔn)孔、夾緊孔、自動制孔三類，對制孔需要的點(diǎn)位、法矢、連接件材料、材料順序、夾層厚度、夾層厚度順序、標(biāo)準(zhǔn)件信息等提取的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，通過CATIA/CAA平臺，開發(fā)了飛機(jī)自動制孔工藝設(shè)計軟件，實(shí)現(xiàn)了制孔信息的分類、提取、規(guī)范存儲等，有效地解決了飛機(jī)蒙皮自動制孔工藝設(shè)計難題，提高了工藝設(shè)計效率和飛機(jī)數(shù)字化制造水平。

工藝；制孔；蒙皮

0 引言

飛機(jī)裝配過程中蒙皮制孔是飛機(jī)制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，飛機(jī)裝配需要在型架的協(xié)助下完成部件裝配，裝配環(huán)節(jié)包括零件定位、加緊、制孔、連接等步驟，傳統(tǒng)的手工制孔方法不僅制孔位置精度低，而且存在制孔質(zhì)量不穩(wěn)定、制孔效率低等問題。現(xiàn)在，飛機(jī)設(shè)計均采用基于MBD規(guī)范的數(shù)字化設(shè)計，設(shè)計交付物為飛機(jī)三維綜合信息模型，零件連接關(guān)系采用點(diǎn)位和法矢進(jìn)行描述[1]，連接孔的位置和尺寸沒有直接標(biāo)出，屬于隱性信息，如果人工制孔，需要從數(shù)模中獲得制孔依據(jù)，這個過程占用制孔總時間一半以上，嚴(yán)重妨礙數(shù)字化制造優(yōu)勢的發(fā)揮。

隨著飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)和智能制造技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)蒙皮自動制孔技術(shù)發(fā)展迅速[2～8]，在自動制孔設(shè)備的研制[3,5]、制孔法矢的自動找正[2]、自動離線編程技術(shù)[4]等方面，已經(jīng)取得較大進(jìn)展，研制的各種自動制孔設(shè)備在飛機(jī)蒙皮壁板裝配、飛機(jī)部件裝配中開始應(yīng)用。在自動制孔設(shè)備應(yīng)用的過程中工裝和自動制孔工藝設(shè)計是必不可少的環(huán)節(jié)。如何依據(jù)飛機(jī)的全三維數(shù)字化綜合模型進(jìn)行部件自動制孔工藝設(shè)計是飛機(jī)數(shù)字化制造的關(guān)鍵問題之一。

1 飛機(jī)蒙皮自動制孔工藝設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

自動制孔工藝設(shè)計是自動制孔的重要部分，包括制孔基準(zhǔn)設(shè)計、加緊孔設(shè)計、自動制孔設(shè)計，在這些設(shè)計中不僅指定孔的位置，而且給出制孔的夾層厚度和順序、材料順序、加緊孔的布局等信息等，這些信息存在于飛機(jī)三維綜合信息模型中，需要采用軟件工具整理篩選并添加工藝人員的設(shè)計思想，形成自動制孔工藝，提供給自動制孔設(shè)備用于進(jìn)行制孔工藝參數(shù)選擇和離線編程。

1.1 蒙皮制孔的分類與篩選技術(shù)

飛機(jī)部件裝配的連接方式主要有鉚釘連接、螺栓和有耳托板螺母連接、螺栓和無耳托板螺母連接，另外也少量使用焊接、膠接等連接方式。部件蒙皮開敞性好，適合采用自動制孔設(shè)備。連接定義中點(diǎn)位和法矢用幾何圖形集分區(qū)定義，對于螺栓和有耳托板螺母連接，將螺栓和連接有耳托板螺母鉚接的點(diǎn)位和法矢放在同一個幾何圖形集中，有耳托板螺母鉚接鉚釘一般不連接蒙皮，也有個別與蒙皮連接，自動制孔工藝設(shè)計的制孔范圍不包括有耳托板螺母不連接蒙皮鉚釘孔，因此需要將這些有耳托板螺母不連接蒙皮鉚釘孔從蒙皮連接的幾何圖形集中去除，篩選出與蒙皮有關(guān)的連接孔信息。蒙皮制孔信息篩選流程如圖1所示，圖2、圖3分別為篩選前、后的點(diǎn)位和法矢高亮圖。

1.2 面向制孔工藝的制孔信息提取技術(shù)

飛機(jī)裝配過程中蒙皮自動制孔采用工業(yè)機(jī)器人、專用自動制孔設(shè)備等自動數(shù)控制孔設(shè)備完成蒙皮自動制孔，在蒙皮制孔前需要首先將蒙皮在裝配的部件上定位和夾緊，以便滿足蒙皮位置正確和制孔過程中的穩(wěn)定性要求，需要在工藝設(shè)計中設(shè)計定位基準(zhǔn)和夾緊位置，其他的蒙皮連接孔由自動制孔設(shè)備完成制孔。因此，蒙皮制孔分為基準(zhǔn)孔、夾緊孔和自動制孔三類。由于現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計的需要，采用鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料等不同的材料，在制孔過程中制孔對象涉及不同的材料，不同的材料制孔對制孔刀具的參數(shù)和加工參數(shù)有不同的要求，因此制孔設(shè)備選擇刀具時需要依據(jù)制孔材料和夾層厚度等信息，同時需要制孔的位置等信息。

圖2 篩選前的孔位信息

圖3 篩選后的孔位信息

飛機(jī)MBD綜合信息模型中包含的信息分為顯性信息和隱性信息兩類，自動制孔工藝設(shè)計中材料信息、制孔點(diǎn)位和法矢屬于顯性信息，這些信息可以直接從零件的屬性中提取。連接夾層厚度、連接標(biāo)準(zhǔn)件尺寸信息等屬于隱性信息，在數(shù)模中沒有直接可以提取的信息。在蒙皮制孔工藝設(shè)計中制孔區(qū)域的選擇依據(jù)蒙皮，在一個部件中選擇一塊蒙皮作為一個獨(dú)立的自動制孔區(qū)域，提取該區(qū)域制孔信息，設(shè)計制孔工藝。為了適應(yīng)無紙化數(shù)字化制造的需要，將自動制孔信息附加在部件的后部，既實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)設(shè)計與工藝的高度融合，又保證了飛機(jī)設(shè)計依據(jù)的獨(dú)立性。

1.2.1 連接制孔件材料提取及順序

自動制孔工藝設(shè)計區(qū)域以選定的蒙皮為單位，在不同位置與蒙皮連接的零件材料可能不同，需要對所有連接位置逐一查找被連接件，采用一種遍歷整個數(shù)模方法，自動獲取各連接件材料牌號。根據(jù)連接關(guān)系找到被連接件，進(jìn)而從屬性中獲取被連接件的材料牌號。同時通過點(diǎn)位與被連接件的距離決定材料牌號輸出次序，存儲于結(jié)構(gòu)樹新工藝節(jié)點(diǎn)上。連接制孔件材料和順序按連接點(diǎn)位逐一獲取，單獨(dú)存儲，流程如圖4所示。

圖4 連接制孔件材料和順序流程圖

1.2.2 點(diǎn)位法矢匹配

在飛機(jī)MBD綜合信息模型中連接關(guān)系采用點(diǎn)位、法矢和標(biāo)準(zhǔn)件牌號表示，其中點(diǎn)位和法矢分別放在點(diǎn)幾何圖形集和線的幾何圖形集中，其順序有可能被篡改或設(shè)計時順序不對，為保證點(diǎn)位和法矢正確的對應(yīng)關(guān)系，采用一種遍歷整個數(shù)模方法，提取各個A數(shù)模的點(diǎn)位和法矢一一進(jìn)行匹配，存儲于結(jié)構(gòu)樹新工藝節(jié)點(diǎn)上。點(diǎn)位和法矢匹配流程如圖5所示。

圖5 點(diǎn)位和法矢匹配流程圖

1.2.3 夾層厚度提取及順序

每個連接處的被連接件的厚度（夾層厚度）是制孔的重要參數(shù)，是選擇刀具尺寸的重要依據(jù)，需要得到每個連接位置處的加層厚度和順序。采用一種遍歷整個數(shù)模方法，根據(jù)法矢及各零部件的相交關(guān)系，采用幾何運(yùn)算方法得到連接法矢與被連接件相交時的線段長度，每個被連接零件的相交線段長度就是其夾層厚度，并通過位置關(guān)系判斷夾層厚度的順序，按照裝配制孔先后次序得到夾層厚度的順序輸出，存儲于結(jié)構(gòu)樹新工藝節(jié)點(diǎn)上。加層厚度提取及順序流程圖如圖6所示。

圖6 加層厚度提取及順序流程圖

1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)件信息提取

飛機(jī)MBD綜合信息模型中，連接描述給出標(biāo)準(zhǔn)件的牌號，具體的尺寸沒有給出，屬于隱性信息，需要建立標(biāo)準(zhǔn)件信息數(shù)據(jù)表（如表1所示），以便在自動制孔工藝設(shè)計中自動獲取標(biāo)準(zhǔn)件信息。制孔工藝設(shè)計過程中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件牌號查詢標(biāo)準(zhǔn)件信息表，自動獲取需要的硬化前孔徑、終徑等。

表1 標(biāo)準(zhǔn)件信息數(shù)據(jù)表

2 飛機(jī)蒙皮自動制孔工藝設(shè)計軟件開發(fā)

蒙皮自動制孔工藝設(shè)計主要采用軟件自動協(xié)助完成，針對涉及的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)了相應(yīng)的模塊，設(shè)計人員的工作比較簡單，打開設(shè)計界面（如圖7所示），選擇設(shè)計的蒙皮作為自動制孔區(qū)域，選擇基準(zhǔn)孔和夾緊孔，然后軟件自動對蒙皮相關(guān)的制孔進(jìn)行分類和篩選，自動獲取點(diǎn)位信息、法矢信息、材料信息、材料排序、夾層尺寸、夾層排序等需要的信息，基準(zhǔn)孔、夾緊孔、自動制孔三大類信息按規(guī)范的格式添加到部件數(shù)模指定的位置，設(shè)計結(jié)果如圖8所示。

圖7 自動制孔工藝設(shè)計界面

圖8 自動制孔工藝設(shè)計結(jié)果

3 結(jié)論

通過飛機(jī)蒙皮自動制孔工藝設(shè)計技術(shù)研究，以CAA/CATIA為平臺，開發(fā)了自動制孔工藝設(shè)計軟件，工藝設(shè)計結(jié)果規(guī)范，并保存在部件PRODUCT中，適應(yīng)無紙化制造，工藝設(shè)計結(jié)果容易與各種自動制孔設(shè)備實(shí)現(xiàn)順利對接，并且有利于區(qū)分工藝設(shè)計與制孔過程的責(zé)任。提高了自動制孔工藝設(shè)計效率，減少工藝人員不必要的工作，降低人為出錯率，提高了飛機(jī)數(shù)字化制造的水平和智能制造水平，為飛機(jī)裝配工藝設(shè)計數(shù)字化奠定一定的基礎(chǔ)。

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Research on the process of automatic holing for airplane skin

LIU Shun-tao1, CHEN Xue-mei1, GUO Xi-feng1, HAN Zhi-ren2,3, ZHOU Shu-yang3

TP242.2

A

1009-0134(2017)04-0087-03

2016-11-09

劉順濤（1981 -），男，四川內(nèi)江人，高級工程師，博士，主要從事飛機(jī)數(shù)字化制造、三維測量等研究。